论文总字数：58501字

摘 要

本文针对环路两相热虹吸管的性能进行研究，查阅资料，对环路两相热虹吸管的定义、背景以及研究现状进行了介绍；建立数学模型，应用软件EES（工程方程求解器）进行程序编制，在不同的运行工况下，研究热负荷、冷凝器中冷却水质量流量以及入口温度对环路两相热虹吸管系统热阻、各部件压降、蒸发器壁面温度以及工质质量流量的影响；以改变热负荷为例，此时冷却水入口温度为5℃，冷却水流量为15g/s，热负荷为100~700W，充灌量为250g、260g和270g时,传热热阻分别为0.0590~0.326℃/W、0.0592~33.78℃/W和0.593~34.87℃/W，通过数据可以看出环路两相热虹吸管的传热性能随热负荷的增加而增加，在相同热负荷不同充灌量的工况下，系统热阻随着充灌量的增加而增加；同理，降低冷凝器中冷却水的入口温度和增加冷却水的质量流量都能在一定程度上减小系统的热阻，增强环路两相热虹吸管的换热能力。本论文通过分析得出了热负荷、冷凝器冷却水质量流量以及进口温度对环路两相热虹吸管性能的影响趋势，对进行环路两相热虹吸管性能优化研究的人员来说具有有一定的参考价值。

关键词：环路两相热虹吸管 性能分析 影响因素

Study on the performance of two-phase thermosyphon loop

Abstract

This thesis aims to study the performance of the two-phase thermosyphon loop , The definition, background and research status of the two-phase thermosyphon loop are introduced in this thesis after literatures review. The mathematical model is established and the software EES (Engineering Equation Solver) is used for programming. Under different operating conditions, the effects of heat load, mass flow rate and inlet temperature of cooling water on the thermal resistance of the two-phase thermosyphon system, the pressure drop of each component, the wall temperature of the evaporator and the mass flow rate of the working fluid are studied. For example, when the cooling water inlet temperature is 5°C, the cooling water mass flow is 15g/s, the heat load ranges of 100 ~ 700W, and the total charge of working fluid varies of 250g to 270g, the heat transfer resistance is 0.0590~0.326°C/W, 0.0592~33.78°C/W and 0.593~34.87°C/W,respectively. It can be seen from the data that the heat transfer performance of the two-phase thermosyphon loop is increased with an increase of the heat load. When the charge changes and the heat load remains constant, the thermal resistance of the system is increased with an increase of the charge of working fluid ; similarly, reduction in the inlet temperature of the cooling water and incrment in the mass flow of the cooling water can reduce the thermal resistance of the system as well. In this paper, the influences of heat load, the cooling water mass flow and inlet temperature on the performances of the two-phase thermosyphon loop are discussed. It can help researchers to optimizes the performance of the two-phase thermosyphon loop.

Key Words:two-phase thermosyphon loop; performance analysis; impact factors

目 录

摘要………………………………………………………………………………………………I

ABSTRACT………………………………………………………………………………………II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 影响热虹吸管性能的因素 1

1.2.2 新型热管的研究以及性能优化 2

1.2.3热虹吸管研究中存在的问题 3

1.3 研究课题的必要性及研究手段 4

第二章 环路两相热虹吸管的数学模型 5

2.1 模型假设 5

2.2 环路两相热虹吸管系统中的能量守恒 5

2.3 环路两相热虹吸管系统中的动量守恒 6

2.3.1 连接管内工质的重力压降 6

2.3.2 连接管内工质的摩擦压降 6

2.3.3蒸发器内工质的摩擦压降 8

2.4 环路两相热虹吸管系统中的质量守恒 10

2.4.1液体管中工质的质量 10

2.4.2两相管中工质的质量 10

2.4.3蒸发器内工质的质量 10

2.4.4冷凝器内工质的质量 11

2.5 蒸发器的传热系数 11

2.5.1单相 12

2.5.2两相 12

2.6 冷凝器的传热系数 13

2.6.1单相 14

2.6.2两相 14

2.7系统总热阻的计算 14

2.8 求解方案 14

第三章 模拟计算结果与分析 16

3.1 模拟参数选择 16

3.2 系统结构参数 16

3.3 模拟结果和讨论 16

3.3.1改变热负荷 16

3.3.2改变冷却水入口水温 20

3.3.3改变冷凝器中冷却水质量流量 22

第四章 总结 26

参考文献 28

附录 32

致谢 33

第一章 绪论

1.1 研究背景

随着科技的发展，电子元件的体积做的越来越小，电子元件产生的热量增加并达到空气冷却的极限，针对高热流电子元器件散热的新技术成为了微电子领域发展面临的重要难题，虽然微通道热管技术在一定程度上满足了微电子领域发展的需求，但通道尺寸过小和成本较高制约了微热管的广泛应用^[1-2]。热虹吸管良好的传热性能能够满足在有限空间内，热控设备小型化及无泵驱动的需求，热虹吸管在高热流密度器件中的使用引起了大家的兴趣^[3]。环路两相热虹吸管（简称热虹吸管），是利用重力回流冷凝液的高效换热器，热量以蒸发热的形式从蒸发器转移到冷凝器，热虹吸管通过很小的截面积远距离传输热量时不需要外加动力,热虹吸管具有超高的导热性，优良的等温性，热流密度可变，热流方向可逆，很强的环境适应性等优势，可做成热二极管或热开关^[4]，在余热回收^[5]、太阳能中高温利用^[6]、聚光光伏发电^[7]、户外电信设备^[8]以及电子元器件的高效散热^[9]等领域具有很高的应用价值。

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